“人造太阳”，永续能源不是梦

翔雨

美国加利福尼亚州的劳伦斯利弗莫尔国家实验室日前宣布，其核聚变能源研究取得了重大进展，聚变产生的能量第一次超过了激发聚变所需的能量。这意味着核聚变将有可能为人类未来带来几乎取之不尽、用之不竭的能源。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家奥马尔·哈利肯等研究人员是核聚变实验的主要负责人。哈利肯说：“从聚变燃料中得到的能量超过了激发聚变所需的能量，这是非比寻常的进展。”

核聚变能源与化石燃料或者核电厂的原子能裂变不同，它能够提供充足的能源，且不会产生污染、放射性废弃物或者温室气体——尽管科学家也承认，核聚变燃料仍需要许多年时间才能转变为实际生活中可以使用的能源。

事实上，为了开发聚变能源以减少人类对石油和其他化石燃料的依赖，美国与其他国家已经投资了数百亿美元。例如英国卡勒姆聚变能源中心和美国普林斯顿等离子体物理实验室就一直致力于研究磁约束聚变能源——将等离子体放置在磁性容器中加热，直到原子核融合。

人造太阳再现突破

在许多科幻小说中，经常提到了未来人类通过便携式核聚变堆获得能量的一幕。事实上，核聚变向来被认为是未来人类使用的先进能源之一，也是宇宙中非常常见的能量释放形式，太阳就是通过核聚变产生源源不断的能量。如果人们能实现对核聚变过程的精密控制，就可能为全世界提供廉价的能源。

位于加利福尼亚州利弗莫尔的国家点火装置（NIF）是目前正在研制可控核聚变技术的数个世界实验室之一。国家点火装置拥有192具世界上最强大的激光器，它们能形成相等数量的激光，并在极短的时间内同时激发并命中中央的“燃料球”，后者被瞬间加热到数百万度，这一过程被称为“点火”，形成核聚变反应后就可以产生能量。在以往的实验中，“点火”反应后形成的能量还不及激光器输入的能量，但这一次科学家首次实现了释放能量大于消耗能源，其意义是不言而喻的。

聚变能源的生成有两类方式。劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科研团队主要关注的是惯性约束聚变能源，也就是使用激光来压缩燃料芯块，借以触发聚变效应。在本次实验中，研究人员将激光脉冲的功率比前次提高了一倍，激光束聚焦在一个直径不到约2毫米的靶丸上，该靶丸内含有包括同位素重氢和超重氢的聚变燃料。燃料被涂抹在靶丸内侧，其固化层的厚度还不及人类的头发。在极高温度下，重氢和超重氢的原子核融合，释放出中子和“阿尔法粒子”，进而获得能量。

“点火”条件苛刻

事实上，在去年年底进行的一系列实验中，NIF研究人员获得的能量输出已经是之前记录的10倍，并且演示了自动加热现象。要实现所产出的能量多于消耗的能量， “点火”这一步至关重要。

为了达到核聚变所必需的极端条件，国际热核聚变实验堆（ITER）等设备一般使用高能磁场束缚燃料，并利用粒子束进行加热。NIF则采用不同的方法：利用激光脉冲爆炸微小燃料样本，从而产生小型核聚变激增。如果一切正常，爆炸将产生比激光脉冲更高的能量，实现净能量增益。为此NIF打造的激光装置足足约有一个露天足球场的大小， 192支紫外线光束在持续1纳秒的一个脉冲中能够传递1.9兆焦能量，大约相当于一辆2吨卡车每小时行驶160公里的动能。

紫外线光束能够转变成X射线，然后袭击燃料胶囊——一个比花椒略小的中空塑料球，里面容纳了0.17毫克冻结的氘和氚。强烈的X射线脉冲击中燃料胶囊后能引起一些塑料发生爆炸，这也迫使剩余的塑料和冻结的燃料向中心高速聚拢。如果一切按计划进行，足够的热量和密度将会引发核聚变反应。模拟结果也显示NIF确实能实现一些核聚变。但此前的实验讲述了一个不同的结果：能量输出非常低。

2012年，国会进行了相关调查工作，最终指责NIF研究人员未能解释模拟数据和实验数据之间的分歧。2013年，NIF科学家开始更系统地探索问题的所在，并且实验室更换了新领导人，也有新科学家加盟该队伍。

最终，他们认为存在的主要问题有两个。燃料芯块压缩时常出现不对称情况，并产生一个环形的燃料团。而在内爆时，塑料胶囊会发生爆炸，并与燃料混合在一起，使其最终难以引发核聚变。

飞跃的实现

为了解决具体问题，新研究队伍对所有激光束的输出进行了调整，在不同地方实施不同的照射力度，以期获得更均匀的内爆。为了避免塑料胶囊解体，研究人员还调整了激光脉冲时间。

一般而言，20纳秒内，科学家一开始主要使用低功率激光进行轰击，以便在未加热燃料的情况下促使内爆移动，最后激光以突然的高功率引发核聚变。使用“低起步”背后的理论是，冷燃料最终可能被压缩到更高的密度。但缺点在于较低的速度使得胶囊有时间爆炸。

美国海军研究实验室等离子物理学部激光等离子分部主任StephenObenschain表示，在低功率激光的冲击下，“有太多有害的事情可能出现，你无法看到发生了什么。”

NIF新研究小组决定尝试使用初始能量就稍高的激光脉冲进行轰击，以便燃料更快地出现内爆，并且在15纳秒之后就更快地结束脉冲。研究人员希望这种方法能有助于控制燃料的混合。去年8月13日进行的一次激光轰击实验证明他们的想法是正确的，并且实现了能源输出量的飞跃。此后的两次实验得出的结果越来越好，产生的能量（14.4千焦和17.3千焦）比内爆过程中沉积在核聚变燃料里的能量（11千焦和9千焦）更多。

这是有史以来第一次在激光核聚变实验里实现这样的能量输出。奥马尔·哈利肯在新闻发布会上表示：“相比之前的实验，我们向后退了一小步，而这一小步成为我们向前迈出了一大步的铺垫。”

两种方法

事实上，除了NIF研究的惯性约束核聚变以外，最先被科学家发现是磁约束。为实现磁约束，需要一个能产生足够强的环形磁场的装置。上世纪50年代，这种装置被称作“托克马克”装置。

倡议于1985年的国际热核聚变实验堆（ITER）计划，是目前全球最大的磁约束核聚变实验项目，由美国、欧盟、俄罗斯、日本、韩国、印度和中国共同参与。ITER装置是一个能产生大规模核聚变反应的“超导托克马克”。作为聚变能实验堆，ITER计划把上亿摄氏度、由氘氚组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的磁场中间，产生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒。不过，目前为止，该项目还一直在追加预算，在工程技术上也依然存在问题，进展迟缓。事实上，科学家指出，ITER还只是一个实验计划，即使ITER获得成功，还要建造新的聚变反应堆才可能进入能源实用化阶段。

而磁约束之所以比惯性约束更被看好，还有一个原因是，不少国家的专业人员一度怀疑NIF是由涉及国家安全和武器研发的政府和联合企业所资助的，其设计初衷是用于测试核武器的可靠性，是美国“无爆炸核试验”的一部分，他们研究核聚变是为了武器开发，而不是用于民用电厂。此外，NIF也能被用来模拟超新星、黑洞边界、恒星和巨大行星内核的环境而进行科学试验。但美国核武器独立专家理查德·加温曾在接受媒体采访时表示，NIF装置中的温度远远低于真正的核武器所产生的温度，他并不支持惯性约束的研发与核武器测试直接相关。

Tips

可控核聚变

核聚变，即轻原子核（例如氘和氚）结合成较重原子核（例如氦）时放出巨大能量的一种核心反应形式。核聚变较之核裂变有重大优点。地球上蕴藏的核聚变能远比核裂变能丰富得多。利用激光核聚变原理建造的发电站称为可控聚变能电站，这种电站的主要燃料是氘。氘大量存在于海水的重水之中，特别是海洋表层3米左右的海水里。据测算，每升海水中含有0.03克氘，所以地球上仅在海水中就有45万亿吨氘。1升海水中所含的氘，经过核聚变可提供相当于300升汽油燃烧后释放出的能量。我们日常使用的水中也含有大量的氢。另外，从地壳中开采的氢也可以为聚变反应堆提供大量的燃料。据推算，利用氢聚变可以轻而易举地为人类提供5000万年之久的能源，可以说是真正意义上的取之不尽，用之不竭的能源。endprint